Коробление при литье пластика под давлением

О чем речь? Коробление при литье пластика под давлением – деформация готового изделия, делающая его непригодным для дальнейшей эксплуатации. Выражаться она может по-разному: в виде изгиба, скручивания, прогибания.

Почему происходит? Причин, вызывающих коробление, более чем достаточно. Чаще всего они связаны с неверным выбором материала для литья, ошибками во время нагрева или охлаждения, а также слишком сложной конфигурацией изделий.

Общая информация о короблении

Коробление (англ. warping) — изменение первоначальной формы изделия при его деформации за счет изгиба или растяжения. Обычно подобный дефект появляется из-за нарушений технологии и неточностей, допущенных на этапах изготовления.

Короблением именно в сфере литья пластмасс называют деформацию готового изделия, которая происходит после его извлечения из пресс-формы. Дефект может выражаться в виде прогиба, искривления или скручивания детали. Наиболее часто он возникает у изделий со сложной геометрией, резкими переходами и угловыми элементами, что связано с неравномерной усадкой материала в процессе охлаждения.

Коробление —результат неравномерного распределения внутренних напряжений в материале после его остывания и затвердевания.

Коробление отличается от усадки тем, что при усадке изделие равномерно уменьшается к центру, а при короблении форма может изменяться в любых направлениях, включая изгиб и скручивание.

В литье пластмасс под давлением коробление относится к числу наиболее сложных и дорогостоящих видов деформаций изделий.

Негативные последствия коробления

Коробление отрицательно сказывается не только на внешнем виде изделия, но и на его эксплуатационных свойствах. Рассмотрим основные последствия данного дефекта.

1. Ухудшение внешнего вида. Деформация может проявляться в виде волнистости плоских поверхностей, скручивания или загибания кромок.
2. Нарушение точности размеров. Из-за коробления деталь отклоняется от заданной формы и размеров, что особенно важно для изделий, требующих высокой точности.
3. Затруднение сборки. Деформированные детали хуже соединяются между собой, что увеличивает количество брака и производственные затраты.
4. Снижение функциональности. Коробление может привести к неправильной работе изделия или нарушению соединения его элементов.
5. Потери в экономике.

Дефекты литья, включая коробление, способны снижать долю годной продукции и вызывать потери примерно 5–15% от общего объёма производства.

Влияние выбора материала на вероятность коробления

Выбор материала имеет решающее значение для устойчивости изделия к короблению. Разные полимеры характеризуются различной усадкой, уровнем термостойкости и прочностью на растяжение. Например, термопласты с высокой усадкой более подвержены деформациям при охлаждении, тогда как армированные материалы и пластики с низкой усадкой обеспечивают более стабильную геометрию готовых деталей.

Также следует учитывать влияние наполнителей и модифицирующих добавок: стекловолокно, углеродные волокна и стабилизаторы помогают снижать деформации и повышают прочность изделия. Выбор материала осуществляется с учетом не только внешнего вида и эксплуатационных требований, но и условий работы, объема выпуска и типа используемого оборудования.

Использование качественных и правильно подобранных материалов снижает риск коробления и позволяет получать изделия высокого качества даже при сложной геометрии и тонкостенных конструкциях.

Далее будут рассмотрены причины коробления, которое может проявляться даже при корректно выбранном материале.

Основные причины коробления и способы решения проблем

Ниже рассмотрим наиболее распространенные причины деформации отливок и способы их решения.

Недостаточное давление впрыска и время выдержки под давлением

При недостаточном давлении впрыска материал может преждевременно остывать и затвердевать еще до полного заполнения формы. Если время выдержки слишком короткое, не обеспечивается необходимая стадия уплотнения, и структура полимера не успевает стабилизироваться. В результате молекулы остаются недостаточно зафиксированными, что вызывает неравномерное охлаждение отдельных зон детали и, как следствие, приводит к ее короблению.

Решение: чтобы устранить коробление пластика, необходимо повысить давление впрыска и увеличить время выдержки под давлением.

Короткое время нагрева

При недостаточном времени нагрева полимера в материальном цилиндре тепло распределяется по массе материала неравномерно. В результате недостаточно прогретый расплав может преждевременно остывать и затвердевать еще до того, как форма будет полностью заполнена.

В итоге молекулы охлаждаются и сжимаются с разной скоростью, что приводит к короблению изделия.

Решение: увеличить длительность нагрева полимера в материальном цилиндре.

Слишком низкая температура в материальном цилиндре

При недостаточной температуре в материальном цилиндре смола не достигает необходимой текучести и при впрыске может преждевременно затвердевать до полного заполнения формы. В итоге молекулы охлаждаются и сжимаются неравномерно, что приводит к короблению изделия.

Решение: повысить температуру в материальном цилиндре и добиться равномерного прогрева материала по всему объему впрыска.

Недостаточная температура пресс-формы

При недостаточной температуре пресс-формы материал может преждевременно затвердевать еще до полного заполнения полости и при этом охлаждаться неравномерно, что вызывает коробление изделия.

Решение: повысить температуру пресс-формы в соответствии с рекомендациями производителя смолы. Для стабилизации процесса операторам необходимо выполнить примерно 10 циклов литья на каждые 10 °C изменения температуры.

Неравномерная температура пресс-формы

Неравномерная температура пресс-формы приводит к различиям в скорости охлаждения материала: молекулы сжимаются с разной интенсивностью, что вызывает деформацию (коробление) отливки.

Решение: проверить поверхности пресс-формы, контактирующие с расплавом, с использованием пирометра и выявить возможные температурные различия. Если разница температур между любыми зонами, включая полу формы, превышает 10 °F, это может вызвать неравномерную усадку и привести к короблению изделия.

Низкая температура сопла

Поскольку материал подается из цилиндра в пресс-форму через сопло, его характеристики имеют важное значение. При пониженной температуре сопла поток расплава замедляется, что нарушает процесс уплотнения структуры материала. В результате молекулы распределяются и сжимаются неравномерно, вызывая деформацию изделия.

Решение: прежде всего оператору следует убедиться, что конструкция сопла не ограничивает скорость потока, поскольку отдельные его типы могут быть несовместимы с используемой смолой. Если сопло подходит для материала, необходимо выполнить регулировку его температуры, изменяя е с шагом по 10 °F до полного устранения коробления отливки.

Нестабильный технологический цикл

Иногда оператор может преждевременно открыть защитное ограждение, в результате чего изделие извлекается или смещается до полного охлаждения и стабилизации материала.

В итоге сокращается технологический цикл, что может привести к неконтролируемой усадке материала и последующей деформации (короблению) отливки.

Читайте также!

Технология литья под давлением: оптимизация и снижение брака

Подробнее

Решение: операторам рекомендуется работать в режиме автоматического технологического цикла, вмешиваясь только при возникновении аварийных ситуаций. Также необходимо провести инструктаж персонала о важности соблюдения стабильности и последовательности производственного процесса.

Маленький размер литниковой втулки

Недостаточный размер литниковой втулки снижает скорость прохождения через не расплавленной смолы. При слишком малом диаметре процесс заполнения формы пластиком существенно замедляется, а также возникают значительные потери давления от выхода втулки до самых удаленных зон полости. В результате в изделии формируются внутренние напряжения, которые после извлечения детали релаксируют и приводят к ее деформации.

Решение: размер и конфигурацию литниковой втулки пресс-формы необходимо подбирать и оптимизировать, опираясь на рекомендации и технические данные поставщика смолы. Как правило лучший выбор для предотвращения коробления отливки — это максимально возможное увеличение литниковой втулки.

Расположение литниковой втулки

Наряду с размером литниковой втулки, ее некорректное расположение также может стать причиной коробления отливки. Если литниковая втулка размещена в тонкой части изделия, а конечная зона заполнения приходится на более массивный участок, это может привести к неравномерному течению материала при переходе от тонких стенок к утолщенным зонам и вызвать существенные перепады давления. В результате возможно неполное заполнение формы и появление дефектов.

Решение: в подобных ситуациях может потребоваться переработка конструкции пресс-формы и изменение расположения литниковой втулки для обеспечения требуемых механических свойств отливки. В некоторых случаях также предусматривают дополнительные каналы, позволяющие снизить потери давления и уменьшить внутренние напряжения в процессе формования.

Плохая текучесть материала

Поставщики полимерных смол обычно указывают показатели текучести для каждой марки материала. Используя эти данные, оператор подбирает более легко текучие составы для изделий с тонкими стенками, тогда как для деталей с большей толщиной применяются более плотные и жесткие полимеры. Для повышения эксплуатационных характеристик рекомендуется выбирать материал с наивысшей возможной жесткостью, допустимой техническими требованиями изделия.

Однако с увеличением жесткости материала усложняется процесс его впрыска, что может привести к преждевременному затвердеванию до полного заполнения формы. Вследствие этого возникают неравномерности в скорости усадки, которые в итоге вызывают коробление отливки.

Решение: операторам следует проконсультироваться с поставщиком смолы, чтобы выбрать материал с оптимальными характеристиками текучести, обеспечивающими качественное заполнение формы и минимизирующими риск деформаций изделия.

Неровное усилие выталкивания

Системы выталкивания и прессовое оборудование необходимо регулярно проверять и настраивать. При отсутствии обслуживания возможны сбои в их работе, проявляющиеся в неравномерном усилии при извлечении детали и нарушении е перпендикулярности. Такие отклонения создают внутренние напряжения в пресс-форме, которые после охлаждения и извлечения изделия приводят к его короблению.

Читайте также!

Дефекты в литье и способы их устранения

Подробнее

Решение: операторы должны регулярно осматривать и настраивать систему выталкивания и прессовое оборудование. Все регулировочные элементы необходимо надежно фиксировать, чтобы обеспечить правильную смазку узлов и исключить проскальзывание.

Конфигурация изделия

Сама геометрия изделия также способна вызывать коробление. Если деталь отличается сложной геометрией с чередованием тонких и толстых участков, это может вызвать неравномерную усадку материала по всей полости формы. В результате возникают внутренние напряжения и коробление, особенно при значительных потерях давления в процессе заполнения.

Решение: рекомендуется обратиться к изготовителю пресс-форм для литья под давлением, специализирующемуся на технических смолах, с целью подбора наиболее оптимального решения.

Несколько дополнительных рекомендаций по предотвращению коробления

Грамотное проектирование пластиковой детали считается одним из наиболее эффективных способов избежать коробления. Конструктивные решения следует закладывать уже на этапе проектирования, поскольку устранение дефектов после изготовления пресс-формы требует значительно больших затрат.

• Обеспечение одинаковой толщины стенок

Основным принципом проектирования является максимально равномерная толщина стенок детали. Наличие разных показателей толщины вызывает неравномерное охлаждение и усадку материала. При этом рекомендуемое соотношение толщин в различных зонах не должно превышать 2:1 для изделий, получаемых прессованием, и 2,5:1 для простых конструкций.

Рекомендации по толщине стенок: минимальная толщина должна быть не менее 0,7 мм, чтобы обеспечить полное заполнение формы. Максимально допустимая толщина составляет 5–7 мм, так как ее превышение может привести к образованию утяжин и внутренних пустот. Наиболее оптимальным диапазоном для большинства изделий считается 2–4 мм.

• Применение ребер жесткости

Ребра жесткости часто используют для повышения прочности и жесткости изделий при сохранении небольшой толщины стенок. Они помогают снизить риск коробления, уменьшить внутренние напряжения и ускорить процесс охлаждения. Грамотно спроектированные ребра жесткости играют важную роль в обеспечении требуемых характеристик детали.

• Расположение ребер жесткости

При проектировании ребристых плит и днищ ребра рекомендуется располагать по диагоналям или диаметрам, что позволяет повысить жесткость конструкции и снизить риск коробления. Крестообразных пересечений следует избегать, поскольку в местах их соединения увеличивается масса, что удлиняет время охлаждения и способствует образованию утяжин. В качестве более эффективного решения предпочтительно применять шахматное расположение ребер.

• Технологические уклоны

Для упрощения извлечения изделия из формы на всех вертикальных поверхностях предусматривают технологические уклоны. Минимальная величина угла зависит от свойств материала и высоты детали. Для материалов с усадкой до 0,4% обычно применяют уклон 0,5–1°, а при усадке более 0,4% — 1–2°.

• Компенсация коробления за счет изменения геометрии формы

Иногда для компенсации степени предсказуемого коробления используется метод предварительной деформации формы в противоположном направлении. Этот подход требует точных расчетов и моделирования, поскольку степень компенсации определяется множеством факторов. Для кристаллических пластиков также может применяться регулирование температурного режима полу форм, позволяющее корректировать возникающие деформации.

Необходимость контроля коробления

Контроль коробления — важный процесс производства, позволяющий повысить качество изделий, оптимизировать технологические процессы и сократить производственные затраты. К его основным преимуществам относятся:

1. Снижение уровня брака и повышение выхода годной продукции. Раннее обнаружение деформаций позволяет предотвращать выпуск дефектных изделий, что в целом повышает эффективность производственного процесса.
2. Стабильная геометрия изделий и улучшение их эксплуатационных характеристик. Контроль коробления обеспечивает сохранение точных размеров и формы деталей, что особенно важно для большинства отраслей — от литья пластмасс до изготовления печатных плат.
3. Сокращение расходов на доработку и переработку изделий. Выявление и устранение проблем на ранних этапах производства позволяет снизить необходимость дополнительных затрат на исправление дефектов.
4. Повышение надежности и срока службы пресс-форм. Контроль коробления способствует оптимизации режимов обработки и подбору материалов, что в итоге увеличивает ресурс и долговечность оборудования.
5. Оптимизация технологического процесса и сокращение времени производства. Прогнозирование коробления еще на этапе проектирования и корректировка параметров позволяют уменьшить время на отладку технологии и снизить количество циклов доводки.
6. Раннее выявление дефектов. Современные методы контроля, включая искусственный интеллект, лазерное сканирование и цифровую корреляцию изображений, позволяют обнаруживать коробление на начальных этапах, когда еще возможно оперативно скорректировать технологический процесс.

Часто задаваемые вопросы о короблении

Как определить, по какой причине произошло коробление?

Для установления причины дефекта необходимо выполнить комплексный анализ: проверить равномерность температуры пресс-формы, оценить распределение давления в полости формы и изучить различия во времени охлаждения отдельных участков детали. В ряде случаев дополнительную информацию дат термографическое исследование изделия сразу после его извлечения из формы.

Какие материалы не особо подвержены короблению?

Полимеры с низким коэффициентом усадки, армированные стекловолокном или углеродными волокнами, а также специально стабилизированные пластики.

Возможно ли исправление коробления после производства?

Частично коробление материала исправляется с помощью термообработки или механической доработки изделия, однако наиболее эффективным решением является предотвращение дефекта еще на этапах проектирования и производства.

Комплексный подход, включающий настройку параметров литья, контроль температурного режима, применение качественных пресс-форм и материалов, а также использование методов моделирования, позволяет значительно снизить риск коробления.

Источник изображения в шапке: freepik / magnific.com